CN106226088B - 一种对颗粒捕集器内碳饼层无损取样及测量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对发动机颗粒捕集器内碳饼层无损取样及测量的方法，属于内燃机测试技术领域。本发明主要包括将完整的颗粒捕集器沿着轴向或径向进行切割，然后将其进行编号拼合，包裹石棉层和铜皮层后，前后嵌入圆环形金属框架，利用连接螺杆和压紧螺母紧固后，封装入发动机排气管，进行发动机的碳烟加载试验。本发明能在不破坏颗粒捕集器上碳烟分布的情况下，测量颗粒捕集器内的碳烟分布，并能够无损获取被捕集于各颗粒捕集器分块上的碳饼层样本。所述碳烟无损取样方法可为研究颗粒捕集器内碳烟分布提供准确的基础数据。

Description

一种对颗粒捕集器内碳饼层无损取样及测量的方法
技术领域
本发明涉及一种对发动机颗粒捕集器内碳饼层无损取样及测量的方法，属于内燃机测试技术领域。
背景技术
颗粒捕集器（Diesel Particle Filter, 简称DPF），可以将汽车尾气中90%以上的颗粒物（Particle Mater, PM）过滤。但是碳烟在颗粒捕集器中的分布状态，以及由碳烟堆积所形成的碳饼层的厚度、结构都对DPF上所涂覆的催化剂的设计，以及催化剂的涂覆位置产生重大的影响，进而会影响到DPF对碳烟的捕集与再生效率。因此，有必要针对碳烟在DPF内的运动与分布特性进行重点研究，这就需要对DPF内的碳饼层进行无损取样，以便通过电镜扫描、热重分析、X 光电子能谱分析法等技术手段，才能了解不同粒径的碳烟颗粒在DPF内的分布特性，以及由不同碳烟堆积而成碳饼层的微观结构及其氧化特性。进而针对性的设计复合催化剂，并根据不同催化剂应对不同理化特性的碳饼，将催化剂进行分段灵活涂覆，实现对分布在DPF内各个区域碳烟的高效率氧化与DPF再生，从而保证DPF对发动机排放PM的高效捕集与去除。
目前，对于DPF的分段涂覆催化剂都只能依托于数值模拟和采用传统碳饼层采样方法所得到的结果，传统对DPF上的碳烟的取样方法是对DPF进行碳烟加载试验后，从排气管内取出DPF，然后用锯片进行切割，在锯开DPF后进行碳烟的测量与取样。然而，在锯开DPF的过程中，剧烈的振动将导致附着于DPF 载体壁面的碳饼层脱落、碎裂，这个过程将会破坏碳饼层的微观结构，而位于切割面上碳饼层的脱落，会导致对碳烟在DPF内部分布状态被破坏，此时将无法准确的测量碳烟在DPF内部的分布、沉积位置；并且破碎后的碳饼层将跟随切割刀具（钢锯或线锯）的运动，被分散于DPF 的各个区域，而DPF 的切割面同时也是取样面，会被不同区域碳饼层碎屑覆盖、污染，造成取样不准。对于碳烟在DPF内的分布，以及对DPF内不同部位碳饼层的理化特性分析，缺乏更为准确的测量数据。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种对发动机颗粒捕集器内碳饼层无损取样及测量的方法，用于实现对发动机颗粒捕集器内的碳烟分布、碳饼层进行观察、测量和无损取样，以便于有针对性的对DPF内不同理化特性的碳饼层进行催化剂设计及分段涂覆。
本发明技术方案是：一种发动机颗粒捕集器内碳饼层无损取样及测量的方法，其特征在于：包括如下步骤：
根据对颗粒捕集器轴向、径向不同区域取样的密度与步长，将颗粒捕集器切割成不同大小的分块；
对各个分块进行编号，并按照编号顺序将分块再组拼成一个完整的颗粒捕集器；
采用柔性的耐高温材料对组拼后的颗粒捕集器包裹，然后采用铜皮包裹，再用不锈钢的框架紧固；
将紧固后的颗粒捕集器封装入发动机排气管内，按照发动机不同转速、负荷进行碳烟加载试验；
加载试验完成后，从发动机排气管中取出颗粒捕集器，取下压紧螺母、连接螺杆，去除不锈钢框架、剥离铜皮和耐高温材料，依次取下各个编号的分块，对各分块的碳烟进行取样及测量。
所述步骤中颗粒捕集器的材料可采用陶瓷、金属等材质，以及不同直径及长度的几何尺寸。
所述步骤中分块的大小数量根据颗粒捕集器内的碳烟分布的测量与取样密集度决定。
所述步骤中柔性的耐高温材料采用石棉。
所述步骤中的铜皮是为了加强颗粒捕集器机械强度，保持轴向气密性而进行包裹紧固。
所述步骤中框架上设有限位凸台，组拼并包裹后的颗粒捕集器固定在限位凸台中。
所述步骤中框架包括两个尺寸相同的圆环形框架，两个圆环形框架之间通过螺杆连接并通过螺母压紧，保证分块拼合后颗粒捕集器的径向气密性。
所述步骤中不锈钢框架，应在保证螺杆通孔加工尺寸的前提下，加大气流通孔尺寸，以保证不对进入颗粒捕集器的尾气造成阻碍。
所述螺杆的数量由颗粒捕集器直径大小决定。
本发明的工作原理：将完整的颗粒捕集器沿着轴向或径向进行切割，然后将其进行编号拼合，包裹石棉层和铜皮层后，前后嵌入圆环形金属框架，利用连接螺杆和压紧螺母紧固后，封装入发动机排气管，进行发动机的碳烟加载试验。试验完成后，从排气管内取出颗粒捕集器，拆除压紧螺母、抽出连接螺杆、移除前、后框架、分别剥离铜皮层和石棉层，依次取出颗粒捕集器分块。此时可以在预切割面上清晰的观测到碳烟沿着颗粒捕集器的轴、径向的分布状况，从而分析出碳烟在颗粒捕集器入口段、中间段、出口段，或者中心层、外圈壁面层的沉积与分布特性。
本发明的有益效果是：
1、可以获得不同结构和理化特性的碳饼在颗粒捕集器轴向、径向的分布，能够更加科学、合理的对颗粒捕集器进行不同类型催化剂涂覆范围的精确划分；
2、对比各分块在碳烟加载试验前后的重量，就能够精确获取碳烟在颗粒捕集器内的质量分布。
3、提高催化剂中贵金属的使用效率，节省贵金属使用量；
4、使催化剂的涂覆对碳烟的氧化特性针对性更强，实现对碳烟的高效捕集与DPF的持续再生，极大的改善发动机尾气内的碳烟对大气环境的污染情况。
附图说明
图1 为本发明的颗粒捕集器分块拼合后总体结构示意图；
图2 为本发明的颗粒捕集器分块拼合后主视图；
图3为本发明的颗粒捕集器分块拼合后俯视图；
图4为本发明的颗粒捕集器分块拼合后全剖图；
图中标号：1-圆环形框架；2-螺杆；3-螺母；4-分块；5-石棉层；6-铜皮层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：一种发动机颗粒捕集器内碳饼层无损取样及测量的方法：根据对颗粒捕集器轴向、径向不同区域取样的密度与步长，将颗粒捕集器切割成不同大小的分块；
对各个分块进行编号，并按照编号顺序将分块再组拼成一个完整的颗粒捕集器；
采用柔性的耐高温材料对组拼后的颗粒捕集器包裹，然后采用铜皮包裹，再用不锈钢的框架紧固；
将紧固后的颗粒捕集器封装入发动机排气管内，按照发动机不同转速、负荷进行碳烟加载试验；
加载试验完成后，从发动机排气管中取出颗粒捕集器，拆卸并依次取下各个编号的分块，然后对各个分块上的碳烟进行取样与测量。
如图1-4所示：步骤中将一个完整的圆柱形颗粒捕集器通过线切割，轴向2等分、径向4等分，总共分割为8个分块4，并且各分块4还可拼合、还原为一个完整的颗粒捕集器；线切割时候，应尽可能采用较细的切割线，以便最大程度保证颗粒捕集器的完整性及拼合后的捕集特性不发生改变；分块4的大小及分块数量根据对颗粒捕集器内的碳烟分布的测量与取样密集度决定。
步骤中需对颗粒捕集器各部位的分块4进行编号后拼合，不能使拼合后各分块4所处颗粒捕集器上的位置及方向发生改变，部分分块4的大小和形状完全相同，但是其内部的微观过滤孔道会有一定的差异，因此必须编号加以区分，以保证在拼合过程中不会使微观过滤孔道发生错位。
步骤中对组拼后的颗粒捕集器用耐高温石棉层5包裹，以使拼合后的颗粒捕集器，在发动机高温尾气通过的时候，在轴向不会发生泄露，具有一定柔性的石棉层5还将起到一定的缓冲作用，缓解发动机振动对拼合后颗粒捕集器的影响，避免颗粒捕集器分块4在碳烟加载试验中产生滑移。为了加强颗粒捕集器的机械强度，还需要在石棉层5再包裹一层紧固铜皮层6，以抵抗颗粒捕集器在排气道中所受机械应力。
步骤中框架包括两个形状、结构完全相同的圆环形框架1，中间的圆形通孔为汽车尾气流入、流出颗粒捕集器的气流通道，在圆环形框架1上加工限位凸台，能将包裹了耐高温石棉层5、铜皮层6的颗粒捕集器镶嵌在凸台内，两个圆环形框架1上对称开有供螺杆2穿过的通孔，通过螺母3，实现对拼合后的颗粒捕集器的压紧。
实施例2：所述颗粒捕集器分块4，既可以将颗粒捕集器轴向分段、径向分块等分切割，也可以根据CFD模拟计算颗粒捕集器内的碳烟分布结果，非等分切割分块。
所述铜皮层6需要厚薄合适，并根据颗粒捕集器的几何尺寸进行选择，需要能够紧密的包裹住包裹了耐高温石棉层5的拼合颗粒捕集器，铜皮层6太厚则无法进行紧密而贴合的包裹，太薄则会缺乏足够的强度，无法为拼合后的颗粒捕集器提供足够支撑。
测试前，将分块4拼合并用耐高温石棉层5、铜皮层6裹紧加固后，将拼合后的颗粒捕集器嵌入圆环形框架1的限位凸台中，并用螺杆2穿过两个圆环形框架1上的通孔，利用螺母3将两个圆环形框架1相互压紧，以保证被压紧在两个圆环形框架1中间由分块4拼合后的颗粒捕集器锯缝的径向气密性。
圆环形框架1、螺杆2、螺母3、石棉层5和铜皮层6均能耐受发动机排气的高温、高湿和酸性气体，保证在碳烟加载试验中不出现过度氧化、烧结、锈蚀等情况。
将固定后的颗粒捕集器封装入发动机排气管并进行碳烟加载试验，试验完成后，将各部件拆卸，拆除螺母3，抽出螺杆2，去除圆环形框架1，即可取出夹在中间的颗粒捕集器；所述耐高温石棉层5、铜皮层6均可在去除颗粒捕集器的圆环形框架1、螺杆2、螺母3后轻松剥离，以保障不会因拆卸耐高温石棉层5和铜皮层6而损坏颗粒捕集器的分块4上的碳饼层。
实施例3：在保证圆环形框架1上的限位凸台、螺杆2通孔加工尺寸的条件下，其气流通孔尺寸应尽量加大，以保证不对进入颗粒捕集器的尾气造成过多阻碍。
两个圆环形框架1之间螺杆2的数目随颗粒捕集器的大小而定，可设为4孔或6孔的连接。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种发动机颗粒捕集器内碳饼层无损取样及测量的方法，其特征在于：包括如下步骤：
根据对颗粒捕集器轴向、径向不同区域取样的密度与步长，将颗粒捕集器切割成不同大小的分块；
对各个分块进行编号，并按照编号顺序将分块再组拼成一个完整的颗粒捕集器；
采用柔性的耐高温材料对组拼后的颗粒捕集器包裹，然后采用铜皮包裹，以加强颗粒捕集器机械强度，保持轴向气密性，再用不锈钢的框架紧固；
将紧固后的颗粒捕集器封装入发动机排气管内，按照发动机不同转速、负荷进行碳烟加载试验；
加载试验完成后，从发动机排气管中取出颗粒捕集器，取下不锈钢框架、剥离铜皮和耐高温材料，依次取下各个编号的分块，对各分块的碳烟进行取样及测量。
2.根据权利要求1所述的发动机颗粒捕集器内碳饼层无损取样及测量的方法，其特征在于：所述步骤中颗粒捕集器材质为陶瓷或金属，尺寸大小不限。
3.根据权利要求1所述的发动机颗粒捕集器内碳饼层无损取样及测量的方法，其特征在于：所述步骤中柔性的耐高温材料采用石棉。
4.根据权利要求1所述的发动机颗粒捕集器内碳饼层无损取样及测量的方法，其特征在于：所述步骤中框架上设有限位凸台，组拼并包裹后的颗粒捕集器固定在限位凸台中。
5.根据权利要求1所述的发动机颗粒捕集器内碳饼层无损取样及测量的方法，其特征在于：所述步骤中框架包括两个尺寸相同的不锈钢圆环形框架，两个不锈钢圆环形框架之间通过螺杆连接并通过螺母压紧，保证分块拼合后颗粒捕集器的径向气密性。
6.根据权利要求5所述的发动机颗粒捕集器内碳饼层无损取样及测量的方法，其特征在于：所述螺杆的数量由颗粒捕集器直径大小决定。
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